低聚木糖对动物肠道屏障的影响及其在动物生产中应用的研究进展

谢 芳 ，张海波，幸清凤，黎力之，关玮琨*，郭冬生*，刘小高

（1.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西省高等学校硒农业工程技术研究中心，宜春市功能农业与生态环境重点实验室，江西宜春 336000；2.宜春学院计划财务处，江西宜春 336000）

低聚木糖（Xylo-oligosaccharide，XOS）又称木寡糖，由植物细胞壁中木聚糖水解而成，是2～7 个D-木糖以β-1，4 糖苷键连接构成的寡糖，常见制备原料为小麦秸秆、甘蔗秸秆、玉米芯、稻壳等农副产物，因此XOS 可作为安全、高效且无污染的新型绿色饲料添加剂[1]。XOS 与肠道微生物组成密切相关，相较于其他聚合糖类（如大豆低聚糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖等），XOS 对肠道双歧杆菌有显著增殖效果，被称为“超强双歧因子”[2]。同时，XOS 属于非消化性寡糖和功能性聚合糖，其通过影响肠道菌群及其代谢产物对肠道屏障建立发挥正向作用。研究显示，饲料添加XOS可促进双歧杆菌和乳酸杆菌等益生菌生长，对条件致病菌有抑制作用，从而改善肠道菌群结构，维持动物肠道正常屏障功能[2]。此外，XOS 通过增殖益生菌促使其代谢产物含量升高，如短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids，SCFAs）、双歧杆菌细菌素及胆盐水解酶等[3]。SCFAs 不仅具有抑菌作用，还参与调控机体免疫因子和抗体水平，减少肠道感染；双歧杆菌细菌素、胆盐水解酶等均为抗菌物质，保护机体免受病原体侵袭[4]。近年来，XOS 应用于动物生产推动养殖业健康发展已引起研究者广泛关注。本文主要阐述XOS 介导肠道菌群及代谢产物对肠道屏障的影响以及XOS 在动物生产中的应用，为XOS 更加合理地开发利用提供理论依据。

1 XOS 的简介

1.1 XOS 的结构 XOS 主要成分为木二糖（X2）和木三糖（X3），其水解后分子式为C5nH8n+2O4n+1（n=2～6）[5-6]。XOS 经酶解法生成的木糖分子及X2、X3 化学结构如图1 所示。

1.2 XOS 的功能 XOS 可选择性增殖肠道益生菌（如双歧杆菌、乳酸杆菌），改善肠道微生物区系，对宿主肠道健康产生有益效应，从而影响机体生理功能[2]。XOS 不仅在调节动物糖脂代谢及促进部分常量元素吸收利用方面发挥重要作用，还参与维护肠道屏障功能稳定和激活机体免疫应答，进而改善动物生长发育。Long 等[7]研究发现，小鼠在7%的XOS 饮食干预下，引发调节胰岛素敏感性的关键转录因子（Pparggenes）及脂肪生成的转录因子（Cebpa）表达量下降，血糖和血脂水平显著降低，表明XOS 有改善糖脂代谢的效果。XOS 可作为益生菌碳源，促进有益代谢产物（如SCFAs）生成。研究显示，SCFAs 使肠道pH 降低，提高矿物质溶解率，同时可促进肠上皮增殖分化，增加矿物质吸收率，提高机体对钙、镁等常量元素的生物利用率[8]。在改善肠道屏障方面，Ding 等[9]在蛋鸡饲粮中添加XOS，发现小肠绒毛高度（Villus Height，VH）以及VH/隐窝深度（Crypt Depth，CD）值显著增加，有利于改善肠绒毛形态发育，促进杯状细胞成熟与黏蛋白分泌，提高肠黏膜屏障完整性。XOS 还可降低大肠杆菌相对丰度，抑制盲肠致病菌定植及炎性细胞因子产生，从而调控免疫介导的炎症反应，增强肠道免疫功能[10]。大量动物试验已证实，XOS 还具有良好抗氧化[11]、抗癌症[4]、预防龋齿[1]、预防腹泻[12]等作用。此外，XOS的非消化性可扩充肠道内容物，稀释有毒代谢产物并减少其生成，缓解肝脏解毒负担，对动物肝脏起保护作用。

2 XOS 对肠道屏障的影响

2.1 XOS 介导肠道菌群对肠道屏障的影响 XOS 难以被动物机体内源酶降解，但可被大肠内双歧杆菌、乳酸杆菌等益生菌发酵利用，增加有益菌在肠道内的定植能力，从而改善肠道微生态区系，维持内环境稳定。肠道益生菌可通过占位效应与病原菌竞争有限营养物质和黏附位点，限制病原菌在肠上皮表面定植[13]。XOS 增殖的益生菌能诱导黏蛋白基因表达，促使杯状细胞分泌黏液，加强细胞间紧密连接（Tight Junction，TJ），抵御外来有害物质侵袭。Pham 等[14]采用吸收性肠细胞（Caco-2）和黏液分泌杯状细胞（HT29-mtx-e12）共同培养法模拟健康肠道环境，发现添加70%的XOS 发酵上清液可明显提高黏蛋白含量，增强肠黏膜屏障紧密性。Yin 等[15]发现仔猪经XOS 饲喂后，可上调回肠TJ 蛋白-1（ZO-1）表达，维持正常肠黏膜通透性，进一步证明XOS 具有维护肠道屏障功能的作用。XOS 自身有抑菌活性，其对病原菌有较强的黏附能力。病原菌细胞表面存在能与宿主特异性寡糖配体结合的蛋白，称为外源凝集素[16]。肠上皮细胞（Ιntestinal Epithelial Cell，ΙEC）表面特异性糖分子或残基可作为外源凝集素结合位点，促使病原菌黏附定植，引发肠道感染[17]。XOS 主要成分X2 和X3 可竞争性结合病原菌表面外源性凝集素，减少ΙEC 受体与病原菌结合机会，甚至置换出与外源凝集素结合的ΙEC 受体，保护机体免受病原体侵袭。马岩等[18]在研究X2 与X3 对鸡肠道细菌增殖和细胞黏附率试验中，发现X2 和X3 有效降低大肠杆菌和沙门氏菌等革兰氏阴性病原菌对ΙEC 的黏附率，使其随粪便排出，达到抑制有害菌的目的。另外，XOS作为外来抗原，经抗原提呈细胞激活免疫应答，促进免疫细胞增殖分化，增强机体免疫功能。XOS 介导的肠道菌群对肠道屏障的调控过程如图2 所示。

2.2 XOS 介导菌群代谢物对肠道屏障的影响 XOS 可调节肠道菌群结构，促进有益代谢产物（如SCFAs、双歧杆菌细菌素、胆盐水解酶）生成，抵御有害物质和病原体侵袭，并间接刺激免疫系统发育成熟，维持肠道屏障功能[3]。SCFAs 是肠道菌群作用于难以降解的碳水化合物后所形成的发酵产物，包括乙酸、丙酸和丁酸等。SCFAs 能降低肠道氧化还原电势和pH，抑制不耐酸腐败菌和病原菌生长繁殖，且丁酸抑菌效果最佳，可抵抗伤寒沙门氏菌、大肠杆菌及金黄色葡萄球菌感染[19]。丁酸还作为ΙEC 生长主要能量来源，促进其增殖分化，同时参与维持ΙEC 正常功能。饲粮中添加XOS 可提高SCFAs 浓度的作用已被证实。谢菲等[20]研究发现，饲粮中添加0.03% XOS 可显著增加生长育肥猪盲肠和结肠中丙酸含量，0.02%～0.04% XOS 显著提高结肠中丁酸水平。Ding 等[9]研究发现随着日粮中XOS 浓度增加，蛋鸡盲肠内丙酸含量无明显变化，但丁酸水平呈线性增长。SCFAs 不仅具有维持肠上皮屏障功能，还介导G 蛋白偶联受体（G-protein-Coupled Receptors，GPRs）和抑制组蛋白去乙酰酶（Histone Deacetylase，HDAC）活性缓解肠道炎症。一方面，SCFAs 可激活缺 氧 诱 导 因 子-1（Hypoxia-Ιnducible Factor-1，HΙF-1）、转录活化因子3（Signal Transducer and Activator of Transcription3，STAT3）、转录因子SP1（Transcription Factor Sp1，SP1），诱导TJ 蛋白表达，降低肠上皮通透性，增强肠道屏障功能，如丁酸在低浓度下能降低Caco-2 和HT-29 通透性，有效改善细胞TJ，刺激黏蛋白合成，维持肠上皮屏障完整性[14,21]；另一方面，SCFAs 通 过 激 活GPRs 41、GPRs 43 和GPRs 109A 以及抑制HDAC 活性诱导抗炎信号通路，在减轻肠道炎症及促进肠上皮修复方面发挥重要作用。在离体小鼠结肠ΙEC 模型中，乙酸可诱导GPR43 通路刺激HT-29 的钾离子外流并超极化，从而激活炎性小体NOD 样受体家族蛋白3（NOD-like Receptor Protein 3，NLRP 3），促 使ΙEC 分 泌 白 细 胞 介 素（Ιnterleukin，ΙL）-18，且丁酸通过GPR109A 抑制核转录因子-κВ（Nuclear Transcription Factor-κВ，NF-κВ）活 化，减 少NF-κВ引起的促炎介质产生[21]。丁酸还诱导转化生长因子-β（Transforming Growth Factor-β，TGF-β）在ΙEC 中表达，促进В 细胞产生免疫球蛋白A（Ιmmunoglobulin A，ΙgA）[22]。此外，丁酸作为HDAC 抑制剂，在叉头样转录因子3（Forkhead box P3，Foxp3）位点上促进组蛋白H3 乙酰化，上调Foxp3基因表达，诱导调节性T 细胞（Regulatory T cells，Treg）分化，促进ΙL-10生成发挥抗炎效应[23]。SCFAs 可抑制HDAC 活性，降低NF-κВ 水平，阻碍肠巨噬细胞产生肿瘤坏死因子-α（Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）、ΙL-6、ΙL-12 等炎性细胞因子，还能调控雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target of Rapamycin，mTOR）通路抑制辅助性T 细胞17（T-helper Cell 17，Th17）生成，影响Th17/Treg 分化平衡，进而调节相关炎性细胞因子分泌，减轻炎症反应[21]。Ding 等[9]研究发现，补充XOS 的蛋鸡体内ΙgA、ΙgM、TNF-α 水平显著升高，有利于激活抗炎反应及免疫应答，改善宿主的防御机能。另外，雏鸡饲喂XOS 后ΙL-6、脂多糖诱导肿瘤坏死因子α因子（LΙTAF）等促炎症细胞因子分泌显著降低，从而减少病原菌在盲肠上定植及炎症细胞分裂，减轻肠道炎症反应[10]。XOS 介导的SCFA 调节肠道屏障的机理见图3。XOS是否通过SCFA 调控机体一系列反应来参与肠道免疫，进而抑制促炎症细胞因子产生及提高抗体水平，还需进一步研究论证。

细菌素是在细菌代谢过程中由核糖体合成的一类多肽或蛋白质类抗菌物质，可降解病原菌生物膜，预防肠道感染[24]。XOS 对双歧杆菌、乳酸杆菌的增殖有利于双歧杆菌细菌素、胆盐水解酶等抗菌物质分泌，抑制病原菌生长繁殖[25-26]。Meade 等[24]研究发现双歧杆菌细菌素对伤寒沙门氏菌、李斯特菌、大肠杆菌等病原菌具有抑制作用。双歧杆菌核心基因组编码序列-ВifCOGS还同碳水化合物代谢有关，可产生糖基水解酶，降解肠黏膜病原菌及细菌毒素结合受体的复杂多糖，减轻病原菌和细菌毒素对ΙEC 的侵袭[27-28]。双歧杆菌、乳酸杆菌等益生菌代谢可产生胆盐水解酶，促使结合型胆汁酸转化为游离型胆汁酸，其积累后可降低肠道pH，与其他疏水弱有机酸（如SCFAs）类似，可损伤细菌细胞壁结构，抑制肠上皮潜在病原体定植[29]。胆盐水解酶还可降低胆汁毒性，使肠道正常菌群不易被胆汁酸杀死，维持肠道微生态平衡[30]。综合来看，这些抗菌物质可有效抑制病原微生物及细菌毒素入侵，保护肠道免受感染，维护肠黏膜正常屏障功能。

3 XOS 在动物生产中的应用

3.1 XOS 在家禽生产中的应用 XOS 在家禽中可作为益生素调节肠道微生物区系改善肠道功能，提高家禽生长性能和产品品质。研究表明，在蛋鸡日粮中添加XOS可显著增加蛋壳厚度和蛋壳相对重量，提高蛋壳质量[31]。研究已证实，补充XOS 可显著提高钙的表观消化率，其对蛋壳质量的改善主要因为益生菌产生的SCFAs 降低了肠道pH，提高了机体对钙的吸收率[8,31]。饲喂XOS 还能促进蛋鸡盲肠双歧杆菌增殖，减少大肠杆菌数量，改善肠道形态发育，促进肠道健康，增强肠道免疫功能[9]。Craig 等[32]研究发现，饲粮中添加XOS 可降低肉鸡采食量，提高饲料转化率，但对增重无显著影响。此外，与饲料中未补充XOS 的肉鸡相比，添加0.1 g/kg XOS的肉鸡体重较高，但添加高水平XOS 肉鸡的体重与未补充XOS 的肉鸡相似，表明最佳添加量以低掺入率0.1 g/kg 为宜[33]。这可能与XOS 促进有益菌（双歧杆菌、乳酸杆菌）增殖有关，有益菌分泌的SCFAs 及乳酸杆菌数量增加使肠道pH 降低，为消化酶提供适宜的工作环境，促进营养物质吸收和利用，而过酸的肠道环境会影响消化酶活性，抑制养分吸收。因此，XOS 对家禽日增重的影响是否因为肠道菌群结构和消化酶的活性改变，需进一步验证。

3.2 XOS 在猪生产中的应用 研究表明，饲粮添加XOS可改善猪的肠道微生态平衡，进而对其生长性能、胴体性质、肉品质产生影响。Liu 等[34]研究发现日粮中添加XOS 可使断奶仔猪平均日增重提高17%，还能增加空肠VH/CD 值及养分表观总消化率。研究显示，在30～100 kg生长育肥猪饲粮中添加100 g/t 的XOS 可显著降低条件致病菌相对丰度，增加有益菌数量[35]。谢菲等[20]指出，在饲粮中添加0.03% 的XOS 可提高25～110 kg 生长育肥猪在各阶段的干物质和能量表观消化率，添加0.04%的XOS 使耗料增重比降低4.81%，2 种添加剂量的XOS 均能显著提高猪胴体长；添加0.02%的XOS 使仔猪日增重提高15.34%，显著增加饲料回报率。邢廷杰等[36]发现在育肥猪饲粮中添加100 g/t 的XOS 能提高肌肉pH45min，降低肌肉黄度、亮度和滴水损失，改善肉品质；添加100、500 g/t 的XOS 可显著增加肌肉粗蛋白质和氨基酸含量，上调生肌决定因子和肌肉生长抑制素表达，改善猪肉蛋白品质和风味。综上所述，在猪生产中，一方面XOS 通过调节肠道微生态环境，促使有益菌产生SCFAs，降低肠道pH，改善肠道组织形态发育，维持肠黏膜完整性，从而促进养分吸收和利用，提高猪的生长速率；另一方面XOS 促使肠道pH 下降，提高矿物质溶解率，降低滴水损失，改善猪肉品质。XOS 还可增加猪肉中蛋白质含量及氨基酸水平，上调肌肉生长相关基因表达，提高猪肉风味和营养价值。

3.3 XOS 在水产动物生产中的应用 研究证实，适宜的XOS 可通过改善肠道菌群结构对水产动物生长性能、免疫功能及脂质代谢产生有益影响。胡晓伟等[37]研究发现，日粮添加200～600 mg/kg 的XOS 可提高花鲈幼鱼的生长性能，增加溶菌酶活性，抑制血清中超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性，从而影响非特异性免疫应答；添加200～400 mg/kg 的XOS 能改善花鲈幼鱼的血脂水平，抑制肠道沙门氏菌和大肠杆菌定植，增加双歧杆菌数量，维持肠内稳态。在罗非鱼日粮中添加玉米芯衍生XOS 可显著提高增重率、比生长速率及饲料转化率[38]。研究发现，与仅饲喂高脂饲料鲤鱼相比，饲料中补充10 g/kg XOS 的高脂鲤鱼增重率、比生长速率和蛋白质效率更高；且添加10～20 g/kg XOS 的高脂鲤鱼血清胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白水平较低[39]。上述试验结果表明，添加XOS 可调节水产动物肠道菌群结构，提高饲料利用率及机体免疫功能，有效降低血清胆固醇和脂肪储存。但目前关于XOS 在水产动物免疫和脂质代谢的相关分子调控机理研究较少，值得进一步探讨。

4 小结与展望

XOS 在动物生产中具有改善肠道微生态平衡、抵御病原菌定植、促进肠道免疫系统发育及抑制炎症反应等作用，实现维持机体肠道屏障功能稳定，提高动物健康和生产水平。XOS 作为绿色高效的饲料添加剂已广泛应用于畜牧领域，目前市场上不同XOS 产品的来源、生产方式及理化性质存在差异。补充XOS 应注意不同动物品种及年龄阶段的添加量及使用方法，一般与益生素复配应用于动物保健品中，或与酶制剂混合应用可提高饲料利用率，还可与其他寡聚糖复配生产复合益生元产品。然而，目前对于XOS 调控肠道内环境机理的相关研究仍处于初级阶段，多数研究集中于XOS 对肠道菌群结构的影响，而相关的分子机制还不清晰。XOS与动物肠道屏障有密切联系，其通过抑制促炎症细胞因子产生，增加抗体水平改善肠道免疫功能，但具体调控途径还需探讨。未来随着对XOS 作用的深入发掘，其在动物营养和饲料科学领域的应用将愈加广泛。